Bases aérodynamiques

Avant de pouvoir aborder l’aérodynamique des hélicoptères, nous devons connaître quelques principes aérodynamiques de base.

Pour qu'un avion « plus lourd que l'air » puisse décoller du sol, il doit y avoir une force ascendante au moins aussi grande que le poids de l'avion. Cette force est appelée portance et est générée par les ailes.

conduire

Les ailes ou ailes ont une forme spécifique en section transversale, le profil. Il existe différents types de profils, en fonction des caractéristiques de vol qu'un avion est censé atteindre.

Lorsqu'une aile avance, le profil divise le flux d'air en une partie inférieure et une partie supérieure (Fig. 1).

Effet d'aspiration

Étant donné que l'air est déplacé par la courbure autour du profil, il doit parcourir une « distance plus longue », ce qui augmente la vitesse d'écoulement. Selon la loi de la dynamique des fluides (équation de Bernoulli), l'augmentation de la vitesse entraîne une diminution de la pression. Une « aspiration » se crée à la surface de l'aile (Fig. 2). Étant donné que les côtés supérieur et inférieur du profilé ont une courbure différente, une « aspiration » différente est également créée.

Résistance à l'air

Avec un profil entièrement symétrique (un profil semi-symétrique est présenté ici), la pression négative sur le dessus de l'aile est exactement la même que sur le dessous.
Ces forces purement aérodynamiques ne suffisent pas à faire voler un avion. Une aile doit être légèrement inclinée dans le flux d'air, ce qui dévie l'air vers le bas, entraînant une pression excessive sur la face inférieure de l'aile, ce qui augmente la portance globale (Fig. 3).

Angle d'attaque / vortex

Cet angle d'attaque provoque également une augmentation de la pression négative au sommet, car l'air doit parcourir une distance plus longue et est donc accéléré plus fortement.

Cependant, l'angle de l'aile augmente également la résistance de l'air, qui doit être compensée par une plus grande puissance de propulsion.

Fondamentalement, on peut dire que la portance augmente à mesure que l’avion avance rapidement. Dans le même temps, la résistance de l’air est également augmentée. Pour cette raison, les avions qui volent seulement lentement ont des profils épais ; pour les avions très rapides, des profils fins suffisent à générer de la portance.
Cependant, l'angle d'attaque et la vitesse ne peuvent pas être augmentés arbitrairement car le flux d'air sur le dessus peut s'interrompre. Cela signifie que l'écoulement ne suit plus le profil mais forme des tourbillons (Fig. 4).

Les tourbillons apparaissent d’abord au bord de fuite. Si l'angle d'attaque augmente encore, de plus en plus de tourbillons se forment vers le bord d'attaque jusqu'à ce que la portance ne soit plus suffisante pour maintenir l'avion en l'air. Cette condition de vol est appelée décrochage et se produit principalement lorsque l'avion vole trop lentement.

Dès que le courant circule à nouveau proprement le long du profil, la portance nécessaire est à nouveau disponible et l'avion reprend son vol.

Avion

Les hélicoptères diffèrent fondamentalement des avions à voilure fixe. Bien que des forces aérodynamiques soient à l’œuvre dans un hélicoptère, elles sont beaucoup plus difficiles à calculer et à expliquer que dans un avion. Cela est principalement dû au fait que le rotor en rotation crée des forces supplémentaires qui ne sont pas présentes dans un avion à voilure fixe.

Pour un avion doté d’ailes, la situation est assez claire. La propulsion est assurée soit par une hélice, soit par un moteur à réaction (sauf sur un planeur). La portance est générée par les ailes et le tout est contrôlé par les volets, les gouvernails et l'empennage (Fig. 5).

hélicoptère

Les choses sont différentes avec un hélicoptère. Les pales du rotor en rotation génèrent une portance, semblable à une aile, et accélèrent l'air de haut en bas. Cela se fait en augmentant simultanément l'angle de réglage (angle entre la corde des pales du rotor et l'axe longitudinal de l'hélicoptère) et donc également l'angle d'attaque de toutes les pales du rotor. C’est ce qu’on appelle le pitch collectif. Cela « souffle » l'air vers le bas, à la manière d'un ventilateur, augmentant la portance globale et provoquant le début de la montée de l'hélicoptère. Pour que ce véhicule avance, "seulement" le plan du rotor doit être incliné vers l'avant, de sorte que le flux d'air à travers le rotor soit "soufflé" légèrement vers l'arrière (Fig. 6).

Commandes d'hélicoptère

L'hélicoptère est contrôlé selon le même principe. L'avion rotor est incliné dans la direction où l'hélicoptère doit voler. Cela semble très simple, mais en réalité il s'agit d'un processus aérodynamique très complexe (nous en reparlerons plus tard). Généralement, une loi de la physique (de Newton) stipule qu'une action provoque une réaction. Cela amène le fuselage de l'hélicoptère à vouloir tourner dans le sens opposé au sens de rotation du rotor. Pour éviter cela, la plupart des hélicoptères sont équipés d'un rotor à rotation verticale, le rotor de queue, qui compense ce couple (Fig. 7). Avec ce rotor de queue, l'hélicoptère peut être contrôlé en vol stationnaire autour de l'axe vertical.

Dans les conceptions comportant deux rotors principaux tournant dans des directions opposées, il n'y a pas de couple sur le fuselage. les couples des deux rotors s'annulent.

booster

Par rapport aux avions à voilure fixe, les hélicoptères peuvent voler vers l’avant, latéralement et vers l’arrière, mais peuvent également rester stationnaires dans les airs. Cela est possible parce que les pales du rotor principal sont toujours entourées d’air lorsqu’elles tournent, fournissant ainsi la portance nécessaire. Un avion à voilure fixe ne génère de la portance que lorsqu'une vitesse d'avancement suffisamment élevée est atteinte.

Par souci de simplicité, nous considérerons le rotor comme un disque pendant le vol stationnaire et n'examinerons pas les conditions sur chaque pale du rotor. Cela est possible car les forces aérodynamiques sont réparties de manière quelque peu symétrique sur l'ensemble du disque du rotor.

Pour qu'un hélicoptère reste en l'air, la portance doit être exactement la même que son poids (Fig. 8).

angle d'attaque

Si l'angle d'attaque de toutes les pales du rotor est augmenté en même temps que le réglage collectif des pales, le flux d'air de haut en bas à travers le disque du rotor augmente, la portance augmente et l'hélicoptère commence à monter en place (Fig. 9) .

Si vous réduisez l'angle d'attaque, la portance totale diminue et l'hélicoptère commence à descendre (Fig. 10).

Rotation du rotor principal

En raison de la rotation du rotor principal, un moment est créé qui fait tourner le fuselage dans le sens opposé au sens de rotation du rotor principal. Cette rotation indésirable est corrigée par le rotor de queue vertical (Fig. 11). Plus la puissance du rotor principal est grande, plus le couple est élevé, et le rotor de queue doit produire davantage pour corriger le couple.

Puisque le rotor de queue produit une certaine poussée horizontale, l’hélicoptère a tendance à se déplacer dans cette direction. Le sens dépend du sens de rotation du rotor principal.

Planant stationnaire en se déplaçant sur le côté

Ce déplacement latéral doit à son tour être corrigé avec le rotor principal. Le flux d'air, également connu sous le nom de downwash, est légèrement dirigé dans le sens inverse du déplacement, ce qui maintient l'hélicoptère en vol stationnaire.

Survoler en dehors de l'effet de sol

Dans de nombreux hélicoptères, les forces des rotors principal et de queue n'agissent pas dans le même plan horizontal. Pour cette raison, l'hélicoptère ne peut pas être horizontal en vol stationnaire, mais plutôt légèrement incliné. Le fait que la position transversale soit à gauche ou à droite dépend principalement du sens de rotation du rotor principal (Fig. 12).

Le vol stationnaire nécessite généralement plus de puissance que le vol vers l'avant. La densité de l'air joue un rôle clé dans la performance. Plus l’air est dense, moins le moteur doit fonctionner et plus l’hélicoptère peut supporter du poids. Puisque la densité de l’air diminue à mesure que l’altitude augmente, le poids de l’hélicoptère doit être réduit afin de le maintenir en vol stationnaire. Fondamentalement, on peut dire que plus la température extérieure et l’altitude sont élevées, plus les performances de l’hélicoptère sont faibles.

Le downwash a un autre impact sur les performances. Si le flux d'air peut circuler sans entrave, cette condition est appelée vol stationnaire hors effet de sol (OGE) (Fig. 13).

Coussin d'air - pour le vol stationnaire

Si l’hélicoptère plane près du sol, on parle de vol stationnaire dans l’effet de sol (IGE). Le flux descendant, qui doit être dévié sur le côté, crée une sorte de coussin d'air (Fig. 14). Cela signifie que l'hélicoptère nécessite moins de puissance pour le vol stationnaire.

Plus l’hélicoptère survole le sol, plus l’influence de l’effet de sol est faible. À une hauteur de vol stationnaire d'environ 1,5 fois le diamètre du rotor, il n'y a plus d'effet de sol. La nature du sol et surtout la pente du terrain ont également une influence majeure sur l’effet de sol. Plus le sol est incliné, plus le courant descendant peut s'écouler et plus l'effet de sol est faible.

Vol vers l'avant

Le plus grand avantage des hélicoptères est qu’ils peuvent à la fois planer et voler vers l’avant. La transition du vol stationnaire au vol vers l’avant est appelée transition et constitue un processus aérodynamique et mécanique extrêmement complexe. Par souci de simplicité, nous considérerons le rotor comme un disque et non comme les conditions aérodynamiques de chaque pale du rotor.

Comme déjà mentionné, en vol stationnaire, l'air est accéléré de haut en bas par le rotor (Fig. 15). Pour que l'hélicoptère puisse voler vers l'avant, tout le disque du rotor doit être incliné vers l'avant.

Inclination

En s'inclinant vers l'avant, l'air n'est plus accéléré verticalement vers le bas, mais vers l'arrière (Fig. 16). L’hélicoptère commence alors à avancer. Cependant, comme la portance n'agit plus verticalement vers le haut, le pilote doit augmenter légèrement la puissance lors de la phase de décollage afin d'obtenir le bon rapport entre portance et poids.

Vitesses d'écoulement

La rotation du rotor crée différentes vitesses d'écoulement sur les pales du rotor pendant le vol vers l'avant. La pale du rotor qui avance dans la direction du vol est appelée pale avant, et celle qui recule est appelée pale reculante (Fig. 17).

Feuille de référence de vitesse

La vitesse d'écoulement dépend de la vitesse d'avancement, de la vitesse du rotor et du diamètre du rotor. Si l’on suppose que l’hélicoptère avance à une vitesse de 200 km/h et a une vitesse en pointe de pale de 750 km/h, les conditions suivantes se présentent sur le rotor :

La pale avant atteint une vitesse effective au bout de la pale de 950 km/h (750 + 200). Cette vitesse est déjà très proche de la vitesse du son. Au pied des pales, il y a encore un débit de plus de 200 km/h (Fig. 18).

Rapidité de retour de la feuille

La pale qui revient n'est soumise qu'à une vitesse de 550 km/h en pointe de pale (750 - 200). La vitesse d'écoulement diminue à mesure que l'on se rapproche du centre de rotation. Dans la zone de la racine de la feuille, le limbe peut même être projeté par l'arrière et n'offre donc plus de flottabilité dans cette zone (Fig. 19).

Comme on le sait, la portance dépend de la vitesse d'écoulement et de l'angle d'attaque (ainsi que du type de profil). Afin d'obtenir des conditions de portance relativement constantes sur l'ensemble du disque du rotor, l'angle d'attaque doit être constamment modifié à mesure que la pale tourne, car la vitesse d'écoulement change également constamment. Ce réglage de l'angle d'attaque est appelé réglage cyclique de la pale.

Les limites de vol vers l'avant des hélicoptères actuels sont d'environ 400 km/h. Au-dessus de cette vitesse, de grandes parties de la pale avant se trouveraient dans la plage supersonique et une grande partie de la pale de retour serait en décrochage. Il n’existe aucun profil d’aile capable de couvrir une plage de vitesse aussi large.

Afin de garantir l'écoulement vers la pale du rotor, le rotor doit toujours être entraîné. Mais que se passe-t-il si le disque tombe en panne, pour une raison quelconque ?

Étant donné que les pales du rotor ont un angle d'attaque relativement grand en vol vers l'avant en raison du réglage collectif des pales et produisent donc également une résistance à l'air proportionnellement importante, la vitesse du rotor chute rapidement sans entraînement. Bien entendu, cela signifie également que la portance nécessaire est perdue et que l'hélicoptère s'écrase en peu de temps.

Heureusement, cela semble beaucoup plus dramatique qu’il ne l’est en réalité. Ce qu'est le vol à voile pour un avion à voilure fixe est l'autorotation pour un hélicoptère. Si le moteur d'un hélicoptère tombe en panne pendant le vol, le pilote réduira immédiatement l'angle de pas collectif et l'hélicoptère commencera à descendre. Dans le même temps, en raison du plus petit angle d'attaque, la résistance de l'air sur les pales du rotor est considérablement réduite.

Conditions aérodynamiques

Comme nous pouvons le voir sur la figure 20, le flux à travers le rotor ne se fait plus de haut en bas, mais de bas en haut. En raison des conditions aérodynamiques, que nous examinerons plus en détail, la vitesse du rotor peut être maintenue constante dans cet état. Afin d'expliquer les processus en autorotation, nous ne devons pas considérer le rotor comme un disque comme auparavant, mais plutôt examiner les conditions sur chaque pale du rotor. Pour ce faire, nous examinons d'abord l'état en vol propulsé vers l'avant (Fig. 21).

Descente verticale

Dans un profil de vol, la portance agit toujours perpendiculairement à l'écoulement et à la résistance de l'air dans le même plan que l'écoulement. L’afflux dans un hélicoptère étant constitué d’une composante horizontale (rotation du rotor) et d’une composante verticale (flux d’air par le haut ou par le bas), on parle d’afflux relatif dans la pale du rotor. Étant donné que la pale du rotor se déplace vers l'extérieur à une vitesse plus grande, mais que la composante verticale reste plus ou moins constante, le débit relatif change constamment sur toute la longueur de la pale du rotor. Pour cette raison, la figure 21 ne s'applique qu'à une petite zone de la pale du rotor. L'angle d'attaque (angle entre la corde du profil et l'écoulement relatif) évolue également sur la longueur de la pale du rotor et l'angle d'attaque diminue vers l'extérieur.

Dans l'automatisation, le rotor peut être divisé en trois zones. Par souci de simplicité, regardons d'abord l'autoration verticale, c'est-à-dire que l'hélicoptère est en descente verticale (Fig. 22).

Autorotation verticale

En autorotation verticale, les zones sont réparties symétriquement sur le disque rotor. Seule la zone d'entraînement est responsable de la rotation du rotor. Près du centre, la vitesse d'écoulement est si faible que les pales du rotor calent.

Afin d'expliquer comment ces zones se forment, nous devons examiner plus en détail les conditions aérodynamiques de chaque pale de rotor.

Dans la zone d'entraînement, les forces aérodynamiques totales se situent devant l'axe de rotation du rotor. Cela crée une force qui entraîne le rotor (Fig. 23).

Si les forces aérodynamiques se situent exactement sur l'axe de rotation, la vitesse de rotation reste constante (Fig. 24).

Dans la partie freinage, les forces totales se situent derrière l'axe de rotation, ce qui signifie que le rotor est freiné (Fig. 25).

équilibre

Tous les hélicoptères sont conçus de manière à ce qu'il y ait un équilibre entre les parties de conduite et de freinage. Cet équilibre doit être assuré depuis la descente verticale jusqu'à une certaine vitesse d'avancement. Certains hélicoptères sont limités en vitesse d'avancement maximale pendant l'autorotation. En effet, la partie motrice se déplace avec l'augmentation de la vitesse (Fig. 26). Ce décalage s'effectue toujours dans le sens de la feuille de retour.

Si la vitesse d'avancement est à nouveau augmentée dans cette situation, la zone d'entraînement se déplace davantage vers la droite, ce qui conduit finalement à ce que la partie de freinage devienne plus grande que la partie motrice et que la vitesse du rotor ne puisse plus être maintenue constante.

En règle générale, une autorotation s'effectue toujours à une certaine vitesse d'avancement. Pour assurer un atterrissage en toute sécurité, cette vitesse doit être réduite au maximum. Ceci est réalisé avec ce qu'on appelle le flare. Juste au-dessus du sol, le pilote relève le nez, réduisant ainsi la descente et la vitesse. Ce freinage permet au rotor d'absorber encore plus d'énergie (augmentant la vitesse) et permet à l'hélicoptère d'effectuer un atterrissage presque normal. Cela semble très simple, mais c'est une manœuvre exigeante pour le pilote.